La membrana elettrochimica, che mostra la trama della griglia metallica sulla sua superficie. La stabilizzazione della membrana con questa griglia ha permesso agli scienziati dei materiali di Harvard di scalare con successo la tecnologia fino a una scala pratica, consentendo applicazioni di energia pulita. Credito:Shriram Ramanathan.
(PhysOrg.com) -- Gli scienziati dei materiali presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e SiEnergy Systems LLC hanno dimostrato la prima cella a combustibile a ossido solido a film sottile (SOFC) su macro-scala.
Mentre le SOFC hanno precedentemente lavorato su scala micro, questa è la prima volta che un gruppo di ricerca ha superato le sfide strutturali di ridimensionare la tecnologia fino a una dimensione pratica con una potenza di uscita proporzionalmente maggiore.
Segnalato online il 3 aprile in Nanotecnologia della natura , la dimostrazione di questo SOFC completamente funzionante indica il potenziale delle celle a combustibile elettrochimiche per essere una valida fonte di energia pulita.
"La svolta in questo lavoro è che abbiamo dimostrato una densità di potenza paragonabile a quella che si può ottenere con minuscole membrane, ma con membrane che sono un centinaio di volte più grandi, dimostrando che la tecnologia è scalabile, "dice il ricercatore principale Shriram Ramanathan, Professore Associato di Scienza dei Materiali presso SEAS.
Le SOFC creano energia elettrica tramite una reazione elettrochimica che avviene attraverso una membrana ultrasottile. Questa membrana da 100 nanometri, comprendente l'elettrolita e gli elettrodi, deve essere sufficientemente sottile da consentire il passaggio degli ioni a una temperatura relativamente bassa (che, per celle a combustibile in ceramica, si trova nell'intervallo da 300 a 500 gradi Celsius). Queste basse temperature consentono un rapido avviamento, un design più compatto, e minor uso di materiali delle terre rare.
Un wafer a membrana di celle a combustibile ad ossido solido completamente funzionale. La superficie strutturata di ogni chip quadrato conferisce stabilità al film incredibilmente sottile utilizzato per la membrana elettrochimica. Credito:Shriram Ramanathan.
Finora, però, i film sottili sono stati implementati con successo solo in micro-SOFC, dove ogni chip nel wafer della cella a combustibile è largo circa 100 micron. Per applicazioni pratiche, come l'uso in generatori compatti, Le SOFC devono essere circa 50 volte più larghe.
Le membrane elettrochimiche sono così sottili che crearne una su quella scala equivale all'incirca a fare un foglio di carta largo 16 piedi. Naturalmente, i problemi strutturali sono significativi.
"Se realizzi una membrana sottile convenzionale su quella scala senza una struttura di supporto, non puoi fare nulla, si romperà e basta, " dice il co-autore Bo-Kuai Lai, un borsista post-dottorato presso SEAS. "Fai la membrana in laboratorio, ma non puoi nemmeno toglierlo. Andrà in frantumi".
Con l'autore principale Masaru Tsuchiya (Ph.D. '09), un ex membro del laboratorio di Ramanathan che ora è a SiEnergy, Ramanathan e Lai hanno fortificato la membrana a film sottile utilizzando una griglia metallica che assomiglia a un filo di pollo su scala nanometrica.
La microscopia elettronica a scansione rivela la superficie strutturata della membrana elettrochimica. Il team di Ramanathan ha trovato cerchi ed esagoni per fornire la struttura più stabile. Credito:Shriram Ramanathan.
Il minuscolo nido d'ape metallico fornisce l'elemento strutturale critico per la grande membrana fungendo anche da collettore di corrente. Il team di Ramanathan è stato in grado di produrre chip di membrana larghi 5 mm, combinando centinaia di questi chip in wafer SOFC delle dimensioni di un palmo.
Mentre i precedenti tentativi di altri ricercatori di implementare la griglia metallica hanno mostrato un successo strutturale, Il team di Ramanathan è il primo a dimostrare un SOFC completamente funzionante su questa scala. La densità di potenza della loro cella a combustibile di 155 milliwatt per centimetro quadrato (a 510 gradi Celsius) è paragonabile alla densità di potenza dei micro-SOFC.
Quando moltiplicato per l'area attiva molto più ampia di questa nuova cella a combustibile, quella densità di potenza si traduce in un'uscita sufficientemente elevata da essere rilevante per l'alimentazione portatile.
Il lavoro precedente nel laboratorio di Ramanathan ha sviluppato micro-SOFC che sono completamente in ceramica o che utilizzano il metano come fonte di carburante invece dell'idrogeno. I ricercatori sperano che il lavoro futuro sulle SOFC incorpori queste tecnologie nelle celle a combustibile su larga scala, migliorando la loro accessibilità.
Nei prossimi mesi, esploreranno la progettazione di nuovi anodi nanostrutturati per combustibili alternativi all'idrogeno che siano utilizzabili a queste basse temperature e lavorino per migliorare la stabilità microstrutturale degli elettrodi.
